基于糖皮质激素受体调节剂波尼松龙的定量构效关系研究

为了探讨糖皮质激素受体调节剂波尼松龙系列的结构和活性之间的关系,首次使用比较分子力场(CoMFA)和比较分子相似性指数分析(CoMSIA)方法对77个靶标分子建立三维定量构效关系(3D-QSAR)模型.在基于配体叠合的基础上,得到了最好的CoMSIA模型(Q2=0.504,R2ncv=0.849,SEE=0.283,F=56.365和R2pred=0.792).模型的三维等势线图分析说明了疏水性基团在R1取代基位置有利于提高活性,亲水性基团在R2取代基位置有利于提高活性.此外,分子对接分析结果显示了与波尼松龙形成一些氢键的氨基酸Asn564,Gln642,Thr739在糖皮质激素受体调节剂中有重要作用.本文得到的结果能够更好地帮助理解糖皮质激素受体调节剂作用机理,并为今后的药物设计与合成提供了新思路.     

取代喹啉类化合物抗菌活性的3D-QSAR研究及分子设计

通过比较分子力场分析方法(Co MFA)研究取代喹啉类化合物对金黄色葡萄球菌抑菌活性(p M)的三维定量结构-活性相关(3D-QSAR)。12个化合物建立了预测模型,7个化合物作为验证集(含模板分子)。训练集的Co MFA模型显示立体场、静电场对生物活性贡献依次为49.8%、50.2%。该模型的交叉验证相关系数R2cv=0.650,非交叉验证相关系数R2=0.918,对测试集中的7个化合物的生物活性进行了预测,显示出较强的稳定性和良好的预测能力。通过分析Co MFA三维等势图发现,在取代喹啉类化合物抑菌机理中,R4取代基的强吸电性起主要作用,其次是其他取代基的疏水性作用。应用上述规律进行分子设计,获得了3个在理论上具有较高抑菌活性的新的取代喹啉衍生物,期待实验的验证。     

酵母AHAS酶与磺酰脲类抑制剂作用模型的分子对接研究

基于酵母乙酰羟酸合成酶(AHAS)与磺酰脲类抑制剂复合物的晶体结构, 用分子对接方法对AHAS与5个磺酰脲类抑制剂相互作用的方式进行了系统的分子对接研究. 晶体复合物对接和假复合物对接两种模式对接的结果基本相同, 并与实验结果吻合. 在进一步的对接中逐级考虑了辅酶FAD和TPP的影响, 结果表明, 辅酶FAD和TPP的加入, 对AHAS酶与磺酰脲类抑制剂的结合顺序基本没有影响. 其中FAD的加入使AHAS与抑制剂的结合更加稳定, 这主要是由于抑制剂的R2取代基与FAD中的平面基团Flavin环间存在的范德华相互作用所致; 抑制剂与TPP间存在的静电相互作用可能是加速TPP降解的原因.     

雌激素β受体喹啉类配体的分子对接及3D-QSAR研究

对33个喹啉衍生物的雌激素β受体活性进行了分子对接以及比较分子力场分析(CoMFA)和比较分子相似性指数分析(CoMSIA). 对接结果显示氢键和疏水作用是配体与受体结合的主要因素,同时结果亦显示对接结合能与观测值pIC50具有极显著的线性相关性. 根据对接后各优势构象将33个样本进行叠合并进行CoMFA与CoMSIA研究,均得到了较优的结果,其中以选用立体场、静电场和疏水场建立的CoMSIA模型结果最优,其主成分数,r2,q2（LOO）和r2pred分别为2, 0.894, 0.708和0.802. 构效关系模型分析显示基团的空间位阻、电性及疏水作用是影响活性的主要因素     

L-酪氨酸衍生物的合成及其与人血清白蛋白的相互作用

以L-酪氨酸为原料,分别与邻甲氧基肉桂酸和间甲氧基肉桂酸进行了酰胺化反应,合成了两种L-酪氨酸衍生物(E)-3-(4'-羟基苯基)-2-[3″-(2-甲氧基苯基)丙烯酰胺基]丙酸(I)和(E)-3-(4'-羟基苯基)-2-[3″-(3-甲氧基苯基)丙烯酰胺基]丙酸(II),运用ESI-MS、1H NMR、13C NMR对其结构进行表征确认。通过荧光光谱、紫外可见吸收光谱结合Auto Dock分子对接方法,研究了化合物I和II对人血清白蛋白(HSA)的作用机制。结果表明,I和II对HSA的猝灭机制为静态猝灭,过程中伴随着非辐射能量转移。化合物I和II主要通过疏水作用与HSA的结合,结合过程是自发的。Auto Dock分子对接结果表明化合物I和II与HSA之间主要是疏水作用力,结合位点位于亚结构域IIA形成的疏水腔中,即site I。分子对接结果与光谱实验结果基本一致。     

4-巯乙基吡啶配基与IgG相互作用的分子模拟研究

4-巯乙基吡啶(MEP)是一种新型的疏水性电荷诱导层析(HCIC)配基,具有良好的抗体分离性能,采用分子模拟方法研究MEP配基与IgG间的分子相互作用,以探讨HCIC分离机制.先通过分子对接搜索IgG分子Fc片段A链的蛋白表面,确定12个可能与MEP结合的位点区域,然后用分子动力学模拟考察了其中6个位点的结合性能.结果表明,MEP在Fc-A链表面的结合具有疏水倾向性,pH中性条件下,MEP能稳定地结合在TYR319和LEU309附近的位点,并与两者形成氢键作用,该区域具有疏水性极强的口袋结构;其他位点的结合较不稳定,受MEP取向影响大.在pH4.0酸性条件下,原先稳定结合的MEP快速从Fc-A链表面脱离,主要原因是MEP和Fc间的静电排斥作用,以及疏水作用减弱和氢键结合的消失.通过分子模拟方法,从分子水平验证了HCIC独特的作用机理:疏水相互作用主导吸附,静电排斥作用协助解吸.     

2,3,3'-三氯联苯与人血清白蛋白之间相互作用的计算模拟及光谱研究

利用分子对接、分子动力学模拟、荧光光谱、紫外光谱及同步荧光光谱法研究了2,3,3'-三氯联苯(PCB-20)与人血清白蛋白(HSA)的相互作用。分子对接结果表明,PCB-20与HSA通过疏水作用力稳定结合于HSA的疏水空腔内。光谱法实验结果表明,PCB-20通过与HSA形成HSA-PCB20复合物从而对HSA具有荧光猝灭作用,猝灭原因是静态猝灭和非辐射能量转移,热力学参数也表明两者结合的主要驱动力为疏水作用力,计算模拟与实验结果吻合度较高。分子动力学模拟结果表明,PCB-20能够与HSA稳定结合,且与同步荧光光谱实验共同证明其对HSA的构象变化产生了一定影响。     

含磷嘧啶类CDK9抑制剂的分子对接、3D-QSAR和分子动力学模拟

选取64个具有潜力的含磷嘧啶类细胞周期依赖性蛋白激酶(CDK9)小分子抑制剂,采用分子对接方法研究了该类小分子与CDK9的结合作用,结果表明,分子构象、氢键形成、疏水性和氨基酸残基Cys106在此类抑制剂与CDK9的结合过程中具有重要作用.在配体叠合的基础上,运用比较分子力场分析(Co MFA)、比较分子相似性指数分析(Co MSIA)和Topomer Co MFA(T-COMFA)研究了分子结构与抑制活性的关系,发现由训练集立体场、静电场和疏水场组合的Co MSIA模型为最优模型,其内部交叉验证相关系数(Q2=0.557)、非交叉验证相关系数(R2=0.959)和外部预测相关系数(r2=0.863)具有统计学意义,该模型的三维等值线图直观显示了化合物的活性与其三维结构的关系.根据这些结果设计了10个具有新结构的含磷嘧啶类化合物,分子对接和分子动力学模拟结果表明,新化合物和CDK9的结合模式与原化合物64相同,自由能分析从理论上证明了新化合物64d的CDK9抑制活性优于化合物64,并且显示含磷基团与残基Asp109的静电场能在化合物与CDK9作用过程中有重要作用.     

ACE抑制三肽与ACE相互作用的分子机制

4种食源性三肽IRP(Ile-Arg-Pro),IKP(Ile-Lys-Pro),GRP(Gly-Arg-Pro),IRA(Ile-ArgAla)的ACE抑制活性已得到实验证实,但其与ACE的相互作用模式与分子机制尚不清楚,本研究采用柔性分子对接方法解决这一问题。分子对接结果表明:4种三肽与ACE有相似的作用模式,氢键、亲水、疏水、静电等作用力共同对三肽与ACE的结合存在贡献,但以氢键作用为主;ACE分子中Lys511,His513,Tyr520,Tyr523等氨基酸残基为其与肽结合的重要结合位点;ACE抑制三肽中氮端氨基和碳端羧基对其抑制活性影响显著,其中氮端氨基的作用更为重要。通过以上分子机理研究可为开发强活性ACE抑制肽提供理论指导。     

2,3,3′-三氯联苯与人血清白蛋白之间相互作用的计算模拟及光谱研究

利用分子对接、分子动力学模拟、荧光光谱、紫外光谱及同步荧光光谱法研究了2,3,3′-三氯联苯(PCB-20)与人血清白蛋白(HSA)的相互作用。分子对接结果表明,PCB-20与HSA通过疏水作用力稳定结合于HSA的疏水空腔内。光谱法实验结果表明,PCB-20通过与HSA形成HSA-PCB20复合物从而对HSA具有荧光猝灭作用,猝灭原因是静态猝灭和非辐射能量转移,热力学参数也表明两者结合的主要驱动力为疏水作用力,计算模拟与实验结果吻合度较高。分子动力学模拟结果表明,PCB-20能够与HSA稳定结合,且与同步荧光光谱实验共同证明其对HSA的构象变化产生了一定影响。     

激酶ABL与肉豆蔻酰位点小分子作用机理的分子动力学模拟及自由能计算

采用分子动力学方法研究激酶ABL 与ATP 位点小分子imatinib、P16 及变构位点小分子STJ、MS7、MS9、3YY、MYR等的结合, 并用GBSA (generalized Born surface area)方法将结合自由能分解到各残基. 自由能计算结果表明, 小分子STJ、MS7、MS9 有利于imatinib 与ABL 结合; 小分子STJ、MS7、MS9 与激酶ABL的结合自由能接近, 绝对值均大于ABL 与3YY、MYR 的结合自由能. 能量分解表明, ABL 残基ILE502、VAL506、LEU510与STJ和MYR的相互作用是αI 螺旋处于弯曲状态的重要原因. 模拟过程中ABL肉豆蔻酰口袋残基均方根偏差(RMSD)变化值表明, STJ等小分子抑制剂与ABL结合后降低了肉豆蔻酰口袋残基的柔性.     

人血白蛋白结合位点II的分子结合模式研究

人血白蛋白是血浆中含量最高的蛋白,是一种重要的载体蛋白,能与多种内源性和外源性物质结合。人血白蛋白主要有两个药物结合位点,位点I和位点II,其中位点II的柔性较大,对药物分子的亲和性较高。本文采用分子模拟方法,基于12种结合于位点II的小分子-人血白蛋白晶体结构,分析了相互作用能,发现12种分子的结合以疏水作用为主,静电作用为辅。进一步采用丙氨酸扫描和结合能评价,分析结合部位的关键氨基酸残基,探究结合模式的规律性,发现从位点入口到空腔内部存在静电、疏水和杂合的三层相互作用分布,共同形成了稳定的分子结合。最后采用分子对接和分子动力学模拟,预测了L-色氨酸的结合模式。研究结果有助于深入了解人血白蛋白药物位点II的小分子结合模式,为基于位点II的药物和分离配基的优化设计提供指导。     

布洛芬与人血白蛋白位点II动态结合过程的分子模拟:一种结合途径分析

人血白蛋白（HSA）主要有两个药物结合位点,位点I和位点Ⅱ,许多小分子优先结合在位点Ⅱ上,包括抗炎类药物布洛芬。本文采用分子模拟方法研究了布洛芬小分子与HSA位点Ⅱ结合的动态过程,探讨了二者的结合机制。首先构建了50个随机分布的布洛芬与HSA复合物体系,经50 ns分子动力学模拟,其中一个布洛芬分子稳定结合于位点Ⅱ。基于该分子的运动轨迹分析,发现布洛芬的结合可分为四个阶段,即远程吸引、表面结合调整、进入位点Ⅱ空腔和稳定结合。比较范德华和静电相互作用能,发现初期以静电吸引为主,中期在HSA表面的两个极性区域间调整,逐步转移至位点Ⅱ附近;然后在位点Ⅱ入口处的极性残基和附近疏水残基的共同作用下,布洛芬进入位点Ⅱ空腔;进入空腔后,静电和疏水共同作用形成稳定结合。在结合过程中,位点Ⅱ附近的蛋白表面发生明显改变,体现出一定的“诱导契合”作用,同时分子模拟得到的结合模式和布洛芬-HSA结合的晶体结构类似。结果表明,分子模拟可以辅助研究小分子和蛋白结合的动态过程,从分子水平阐述相关结合机制。     

Aromatic Rings as Molecular Determinants for the Molecular Recognition of Protein Kinase Inhibitors

Protein kinases are key enzymes in many signal transduction pathways, and play a crucial role in cellular proliferation, differentiation, and various cell regulatory processes. However, aberrant function of kinases has been associated with cancers and many other diseases. Consequently, competitive inhibition of the ATP binding site of protein kinases has emerged as an effective means of curing these diseases. Over the past three decades, thousands of protein kinase inhibitors (PKIs) with varying molecular frames have been developed. Large-scale data mining of the Protein Data Bank resulted in a database of 2139 non-redundant high-resolution X-ray crystal structures of PKIs bound to protein kinases. This provided us with a unique opportunity to study molecular determinants for the molecular recognition of PKIs. A chemoinformatic analysis of 2139 PKIs resulted in findings that PKIs are “flat” molecules with high aromatic ring counts and low fractions of sp³ carbon. All but one PKI possessed one or more aromatic rings. More importantly, it was found that the average weighted hydrogen bond count is inversely proportional to the number of aromatic rings. Based on this linear relationship, we put forward the exchange rule of hydrogen bonding interactions and non-bonded π-interactions. Specifically, a loss of binding affinity caused by a decrease in hydrogen bonding interactions is compensated by a gain in binding affinity acquired by an increase in aromatic ring-originated non-bonded interactions (i.e., π–π stacking interactions, CH–π interactions, cation–π interactions, etc.), and vice versa. The very existence of this inverse relationship strongly suggests that both hydrogen bonding and aromatic ring-originated non-bonded interactions are responsible for the molecular recognition of PKIs. As an illustration, two representative PKI–kinase complexes were employed to examine the relative importance of different modes of non-bonded interactions for the molecular recognition of PKIs. For this purpose, two FDA-approved PKI drugs, ibrutinib and lenvatinib, were chosen. The binding pockets of both PKIs were thoroughly examined to identify all non-bonded intermolecular interactions. Subsequently, the strengths of interaction energies between ibrutinib and its interacting residues in tyrosine kinase BTK were quantified by means of the double hybrid DFT method B2PLYP. The resulting energetics for the binding of ibrutinib in tyrosine kinase BTK showed that CH–π interactions and π–π stacking interactions between aromatic rings of the drug and hydrophobic residues in its binding pocket dominate the binding interactions. Thus, this work establishes that, in addition to hydrogen bonding, aromatic rings function as important molecular determinants for the molecular recognition of PKIs. In conclusion, our findings support the following pharmacophore model for ATP-competitive kinase inhibitors: a small molecule features a scaffold of one or more aromatic rings which is linked with one or more hydrophilic functional groups. The former has the structural role of acting as a scaffold and the functional role of participating in aromatic ring-originated non-bonded interactions with multiple hydrophobic regions in the ATP binding pocket of kinases. The latter ensure water solubility and form hydrogen bonds with the hinge region and other hydrophilic residues of the ATP binding pocket.     

表皮生长因子受体和抑制剂之间分子对接的研究

研究了表皮生长因子受体(EGFR)和4-苯胺喹唑啉类抑制剂之间的相互作用模式，表皮生长因子受体的三维结构通过同源蛋白模建的方法得到，而抑制剂和靶酶结合复合物结构则通过分子力学和分子动力学结合的方法计算得到。从模拟结果得到的抑制剂和靶酶之间的相互作用模式表明范德华相互作用、疏水相互作用以及氢键相互作用对抑制剂的活性都有重要的影响，抑制剂的苯胺部分位于活性口袋的底部，能够与受体残基的非极性侧链产生很强的范德华和疏水相互作用，抑制剂双环上的取代基团也能和活性口袋外部的部分残基形成一定的范德华和疏水性相互作用，而抑制剂喹唑啉环上的氮原子能和周围的残基形成较强的氢键相互作用，对抑制剂的活性有较大的影响，计算得到抑制剂和靶酶之间的非键相互作用能以及抑制剂和靶酶之间的相互作用信息能够很好地解释抑制剂活性和结构的关系，为全新抑制剂的设计提供了重要的结构信息。     

EGFR和4-苯胺喹唑啉类抑制剂之间相互作用模式的研究

采用分子动力学和MM/PBSA相结合的方法预测了表皮生长因子受体和4-苯胺喹 啉类抑制剂的相互作用模式。在分子动力学采样的基础上,采用MM/PBSA的方法分 别预测了四种可能结合模式下表皮生长因子受体和4-苯胺喹唑啉类抑制剂间的结合 自由能。在MM/PBSA计算中,受体和抑制剂之间的非键相互作用能采用分子力学 (MM)的方法得到;溶剂效应中极性部分对自由能的贡献通过解Possion- Boltzmanne (PB)方程的方法得到;溶液效应中非极性部分对自由能的贡献则通过 分子表面积计算(SA)的方法得到。计算表明,在四种结合模式下,表皮生长因子受 体和4-苯胺喹唑啉类抑制剂之间的结合自由能有较大的差别。在最佳的相互作用模 式中,抑制剂的苯胺部分位于活性口袋的底部,能够与受体残基的非极性侧链产生 很强的范德华和疏水相互作用。抑制剂喹唑啉环上的N(1)原子能够和Met-769上的 NH形成稳定的氢键,而抑制剂上的N(3)原子则和周围的一个水分子形成氢键。同时 ,抑制剂双环上的取代基团也能和活性口袋外部的部分残基形成一定的范德华和疏 水相互作用。最佳结合模式能够很好地解释已有抑制剂结构和活性间的关系。     

Heterocyclic Substitutions Greatly Improve Affinity and Stability of Folic Acid towards FRα. an In Silico Insight

Folate receptor alpha (FRα) is known as a biological marker for many cancers due to its overexpression in cancerous epithelial tissue. The folic acid (FA) binding affinity to the FRα active site provides a basis for designing more specific targets for FRα. Heterocyclic rings have been shown to interact with many receptors and are important to the metabolism and biological processes within the body. Nineteen FA analogs with substitution with various heterocyclic rings were designed to have higher affinity toward FRα. Molecular docking was used to study the binding affinity of designed analogs compared to FA, methotrexate (MTX), and pemetrexed (PTX). Out of 19 FA analogs, analogs with a tetrazole ring (FOL03) and benzothiophene ring (FOL08) showed the most negative binding energy and were able to interact with ASP81 and SER174 through hydrogen bonds and hydrophobic interactions with amino acids of the active site. Hence, 100 ns molecular dynamics (MD) simulations were carried out for FOL03, FOL08 compared to FA, MTX, and PTX. The root mean square deviation (RMSD) and root mean square fluctuation (RMSF) of FOL03 and FOL08 showed an apparent convergence similar to that of FA, and both of them entered the binding pocket (active site) from the pteridine part, while the glutamic part was stuck at the FRα pocket entrance during the MD simulations. Molecular mechanics Poisson-Boltzmann surface accessible (MM-PBSA) and H-bond analysis revealed that FOL03 and FOL08 created more negative free binding and electrostatic energy compared to FA and PTX, and both formed stronger H-bond interactions with ASP81 than FA with excellent H-bond profiles that led them to become bound tightly in the pocket. In addition, pocket volume calculations showed that the volumes of active site for FOL03 and FOL08 inside the FRα pocket were smaller than the FA–FRα system, indicating strong interactions between the protein active site residues with these new FA analogs compared to FA during the MD simulations.